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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Batteriesysteme und insbesondere
auf das Regulieren eines Vorladestroms in einem Batteriesystem.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Während der
Wert und der Gebrauch von Informationen anhaltend wächst, suchen
Einzelpersonen und Unternehmen nach zusätzlichen Wegen, um Informationen
zu verarbeiten und zu speichern. Eine den Nutzern zugängliche
Wahlmöglichkeit
sind Informationsverarbeitungssysteme. Ein Informationsverarbeitungssystem
verarbeitet, übersetzt,
speichert und/oder kommuniziert im Allgemeinen Informationen oder
Daten für
geschäftliche,
persönliche
oder andere Zwecke, wobei es den Nutzern erlaubt, einen Vorteil
aus dem Wert der Informationen zu ziehen. Da der Bedarf und die
Anforderungen an Technologie und Informationsverarbeitung zwischen
verschiedenen Nutzern und Anwendungen variieren, können Informationsverarbeitungssysteme
ebenso variieren in Bezug darauf welche Informationen verarbeitet
werden, wie die Informationen verarbeitet werden, wie viel Informationen
verarbeitet, gespeichert oder kommuniziert werden, und wie schnell
und effizient die Informationen verarbeitet, gespeichert oder kommuniziert
werden können.
Die Abweichungen zwischen Informationsverarbeitungssystemen erlauben
es, dass Informationsverarbeitungssysteme allgemein sind oder konfiguriert
für einen
bestimmten Nutzer oder einen bestimmten Gebrauch, wie z. B. die
Ab wicklung von Finanz-Transaktionen, Fluglinien-Reservierungen,
Speicherung von Unternehmensdaten oder globale Kommunikation. Darüber hinaus
können
Informationsverarbeitungssysteme eine Vielfalt von Hardware- und
Software-Komponenten
beinhalten, die so konfiguriert werden können, dass sie Informationen
verarbeiten, speichern und kommunizieren und ein oder mehrere Computersysteme,
Datenspeichersysteme und Netzwerksysteme beinhalten können.
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Beispiele
von tragbaren Informnationsverarbeitungssystemen umfassen Notebook-Computer. Diese portablen
elektronischen Geräten
werden typischerweise durch Batteriesysteme wie etwa Lithium-Ionen-(„Li-Ionen") oder Nickelmetallhydrid-(„NiMH") Batteriepakete mit Strom versorgt,
die eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien enthalten. 1 zeigt
ein Batteriesystem 120 eines tragbaren Informationsverarbeitungssystems 100 mit Batterieladeanschlüssen 122, 124,
die zeitweise an entsprechende Ladeausgangsanschlüsse 115, 116 eines
Batterieladegeräts 110 angeschlossen
sind. So konfiguriert ist das Batterieladegerät 110 so angeschlossen,
um Strom von Stromversorgungsanschlüssen 112, 114 zu
erhalten (z. B. Wechselstrom oder Gleichstrom aus einem AC-Adapter)
und um DC-(Gleichstrom-)Ladestrom
an die Batterieladeanschlüsse 122, 124 des
Batteriesystems 120 über
die Ladeausgangsanschlüsse 115, 116 zu
liefern. Wie gezeigt, umfasst das Batteriesystem 120 auch
Batteriesystem-Datenbusanschlüsse 126, 128 zum
Bereitstellen von Batteriestatusinformation, wie z. B. Batteriespannung,
an entsprechende Datenbusanschlüsse 117, 118 des
Batterieladegeräts.
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2 zeigt
ein konventionelles Lithium-Ionen-Batteriesystem 120 mit
einer Batterie-Management-Einheit („BMU") 202, die für das Uberwachen des
Batteriesystembetriebs und für
die Steuerung der Lade- und Entladeschaltung 270 verantwortlich ist,
die zum Laden und Entladen von einer oder mehreren Batteriezellen
des Batteriesystems vorhanden ist. Wie gezeigt, umfasst die BMU 202 ein
analoges Front End („AFE") 206 und
einen Microcontroller 204. Die Lade- und Entladeschaltung 270 des
Batteriesystems 120 umfasst zwei Feldeffekttransistoren („FETs") 214 und 216,
die zwischen Batterieladeanschluss 112 und Batterie zelle/n 224 in
Serie angeschlossen sind. FET 214 ist ein Lade-FET-Schaltelement,
das einen Teil der Ladeschaltung 260 bildet, der durch
den Microcontroller 204 und/oder das AFE 206 von
BMU 202 gesteuert wird, indem Schalter 218 verwendet
wird, der einen Ladestrom an die Lithium-Ionen-Batteriezelle/n 224 zulässt oder
nicht zulässt.
FET 216 ist ein Entlade-FET-Schaltelement, das einen Teil
der Entladeschaltung 262 bildet, die durch den Microcontroller 204 und/oder
AFE 206 von BMU 202 gesteuert wird, indem Schalter 220 verwendet
wird, der einen Entladestrom von der/den Batteriezelle/n 224 zulässt oder
nicht zulässt.
Wie gezeigt, sind über
Source und Drain von jedem FET-Schaltelement parasitische Dioden
vorhanden, das heißt, um
einen Ladestrom an die Batteriezelle/n zu leiten, wenn das Entlade-FET-Schaltelement 216 offen
ist, und um einen Entladestrom von der/den Batteriezelle/n zu leiten,
wenn das Lade-FET-Schaltelement 214 offen ist.
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Während des
normalen Batteriepaketbetriebs werden beide Lade- und Entlade-FET-Schaltelemente 214 und 216 durch
jeweilige Schalter 218 und 220 in den geschlossenen
Zustand versetzt, und die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von AFE 206 überwacht
die Spannung der Batteriezelle/n 224. Wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von
AFE 206 eine Batterieüberspannungsbedingung
erkennt, öffnet
die BMU 202 das Lade-FET-Schaltelement 214, um
weiteres Laden der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Überspannungsbedingung
nicht mehr vorhanden ist. Wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von
AFE 206 eine Batterieunterspannungsbedingung (oder Uber-Entladung)
erkennt, öffnet
die BMU 210 in ähnlicher
Weise das Entlade-FET-Schaltelement 216, um weiteres Entladen
der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Unterspannungsbedingung
nicht mehr vorhanden ist. Die BMU 202 kann auch das Lade-FET-Schaltelement 214 öffnen, wenn
das Batteriepaket im Schlafmodus ist. In der Batteriepaketschaltung
ist ein Strommesswiderstand 212 vorhanden, um dem Stromsensor 208 von
AFE 206 zu erlauben, den Ladestrom an die Batteriezelle/n
zu überwachen.
Wenn das Lade-FET-Schaltelement 214 offen sein soll (z.
B. während
des Schlafmodus oder der Batterieüberspannungsbedingung), aber
ein Ladestrom festgestellt wird, deaktiviert die BMU 202 dauerhaft
das Batteriepaket durch Auslösen
einer In-Reihe geschalteten Sicherung 222, die in der Batterieschaltung
vorhanden ist, um die Batteriepaketschaltung abzutrennen (to open)
und weiteres Überladen
zu verhindern.
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Wenn
Li-Ionen- und NiMH-Batteriezellen bis zu einem bestimmten niedrigen
Spannungsniveau entladen wurden, sind sie nicht in der Lage, ihren
vollen Ladestrom aufzunehmen und müssen bei einem viel niedrigeren
Stromniveau „vorgeladen" werden. Zum Beispiel
beträgt
ein typischer minimaler Ladestrom eines intelligenten Ladegeräts 128 mA,
der zum Vorladen von einigen NiMH-Batteriezellen ausreichend niedrig sein
kann. Allerdings kann der erforderliche Vorladestrom für andere
Typen von Batteriezellen viel niedriger als 128 mA sein. Für eine typische
Li-Ionen-Batteriezelle beträgt
der erforderliche Vorladestrom ungefähr 20 mA oder weniger pro Zelle.
Um den erforderliche Vorladestrom bereitzustellen, wurde eine separate
Vorladeschaltung in ein Batteriepaket eingegliedert, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau
zu erreichen, in dem der von einem Batterieladegerät gelieferte
Ladestrom reduziert wird.
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2 stellt
die Vorladeschaltung 250 dar, die in der Lade- und Entladeschaltung 270 vorhanden
ist, um die Batteriezelle/n 224 vorzuladen, wenn die Batteriezelle/n 224 auf
ein vorbestimmtes niedriges Spannungsniveau entladen wurden und
nicht bereit sind, ihren vollen Ladestrom aufzunehmen. Wie gezeigt,
umfasst die Vorladeschaltung 250 einen MOSFET 252,
der als Schalter verwendet wird, und einen Widerstand 254,
um das Niveau des Vorladestroms auf einen viel niedrigeren Stromwert
als den Ladestrom zu begrenzen, der durch das Batterieladegerät 110 bereitgestellt
wird. In der Vorlade-Betriebsart schaltet der Microcontroller 204 den
MOSFET-Schalter 252 an, wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von
AFE 206 feststellt, dass die Spannung der Batteriezelle/n 224 unterhalb
des vorbestimmten niedrigen Spannungsniveaus liegt und das Vorlade-Stromniveau
benötigt
wird. In der Vorlade-Betriebsart hält die BMU 202 auch
das Lade-FET-Schaltelement 214 in einem offenen Zustand,
um den Ladestrom, der an die Batteriezelle/n 224 bereitgestellt
wird, auf das niedrigere Vorlade-Stromniveau zu begrenzen. Wenn
die Spannung der Batteriezelle/n 224 das vorbestimmte niedrige Spannungsniveau
erreicht, schaltet die BMU 202 den MOSFET 252 aus
und schließt
das Lade-FET-Schaltelement 214, um zu ermöglichen,
dass der volle Ladestrom an die Batteriezelle/n 224 bereitgestellt
wird.
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Wie
in 2 gezeigt, erfordert der Vorlade-Schaltung 250 eines
konventionellen Lithium-Ionen-Batteriesystems 120 das Bereitstellen
von separaten Schaltungskomponenten in dem Batteriesystem. Aufgrund
von Sicherheits- und Kostengründen könnten solche
Vorlade-Schaltungskomponenten für einige
Batteriesysteme, wie z. B. NiMH-Batteriesysteme, nicht bereitgestellt
werden. In solchen Systemen werden Komponenten des Batterieladegeräts zum Regulieren
des Vorlade-Stromniveaus verwendet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Systeme
und Verfahren zum Regulieren eines Vorladestroms in einem Batteriesystem,
wie z. B. einem Batteriesystem eines Informationsverarbeitungssystems,
werden hier offenbart. Die offenbarten Systeme und Verfahren können vorteilhaft
zum Regulieren des Arbeitszyklus des Batteriesystem-Ladestroms konfiguriert
werden, um das Niveau des Vorladestroms zu regulieren. In einer
Ausführungsform kann
der Microcontroller eines Batteriesystems verwendet werden, um den
Arbeitszyklus des Lade-FET-Schaltelements (C-FET) des Batteriesystems
in der Abwesenheit einer separaten Vorlade-Schaltung (wie z. B.
der Vorlade-Schaltung 250 von 2) und/oder
ohne das Vorhandensein einer Vorlade-Schaltung eines Batterieladegeräts anzupassen,
während
zur selben Zeit Anforderungen an das Vorladen von Batteriezellen,
z. B. Anforderungen für
Li-Ionen-Batteriezellen, erfüllt
werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Batteriesystem
für ein
tragbares Informationsverarbeitungssystem, wie z. B. einem Notebook-Computer, mit der Fähigkeit
bereitgestellt werden, das Vorlade-Stromniveau für Batteriezelle/n des Batteriesystems
zu regulieren, in dem der Arbeitszyklus des Ladestroms angepasst
wird, der an die Batteriezelle/n bereitgestellt wird, und ohne das
Vorhandensein von MOSFET-Schaltkomponenten einer konventionellen
Vorlade-Schaltung. Deshalb können
die offenbarten Systeme und Verfahren in einer Ausführungsform vorteilhaft
realisiert werden, um die Notwendigkeit für separate Vorlade-Schaltungskomponenten
zu eliminieren und die Anzahl von Teilen innerhalb des Batteriesystems
zu reduzieren, was in Kostenersparnissen und weniger benötigtem Raum
auf der Leiterplatte des Batteriesystems resultiert.
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In
einer Hinsicht wird hier ein Verfahren zum Laden von einer oder
mehreren Batteriezellen eines Batteriesystems offenbart, das mit
einem Batterieladegerät
verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Aufnehmen eines Ladestroms
in dem Batteriesystem von dem Batterieladegerät, wobei der Ladestrom einen
ersten Stromwert aufweist; Anpassen des Arbeitszyklus des Ladestroms,
der von dem Batteriesystem aufgenommen wird, um einen Vorladestrom zu
erzeugen, der einen zweiten Stromwert aufweist, wobei der zweite
Stromwert kleiner als der erste Stromwert ist; und Laden der einen
oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems, in dem zuerst
der Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine
oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitgestellt wird,
und danach der Ladestrom, der den ersten Stromwert aufweist, an
die eine oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems bereitgestellt
wird.
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In
weiterer Hinsicht wird hier ein Batteriesystem offenbart, das zum
Anschluss an ein Batterieladegerät
konfiguriert ist, wobei das Batteriesystem umfasst: eine oder mehrere
Batteriezellen; eine Batteriestrom-Steuerschaltung, konfiguriert
zum Anschluss zwischen das Batterieladegerät und die eine oder mehrere
Batteriezellen, wobei die Batteriestrom-Steuerschaltung so konfiguriert
ist, um einen Ladestrom, der einen ersten Stromwert aufweist, von dem
Batterieladegerät
aufzunehmen, und um den Fluss des Ladestroms in die Batteriezellen
aus dem Batterieladegerät
zu steuern; und einen Arbeitszyklus-Controller, der an die Batteriestrom-Steuerschaltung angeschlossen
ist, wobei der Arbeitszyklus-Controller so konfiguriert ist, um
den Betrieb der Batteriestrom-Schaltung so zu steuern, um einen Arbeitszyklus
des Ladestroms, der von dem Batterieladegerät empfangen wurde, anzupassen,
um einen Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an
die eine oder mehrere Batteriezellen bereitzustellen, wobei der
zweite Stromwert kleiner als der erste Stromwert ist. Der Arbeitszyklus-Controller
kann weiter konfiguriert sein, um zuerst den Vorladestrom, der einen
zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen
des Batteriesystems bereitzustellen, und um dann den Ladestrom,
der den ersten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen
des Batteriesystems bereitzustellen.
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In
weiterer Hinsicht wird hier ein Batteriesystem für ein tragbares Informationsverarbeitungssystem
offenbart, das zum Anschluss an ein Batterieladegerät konfiguriert
ist, wobei das Batteriesystem aufweist: eine oder mehrere Batteriezellen;
eine Ladeschaltung, konfiguriert zum Anschluss zwischen dem Batterieladegerät und der
einen oder mehreren Batteriezellen, wobei die Ladeschaltung ein
Lade-FET-Schaltelement
umfasst und konfiguriert ist, um einen Ladestrom, der einen ersten
Stromwert aufweist, von dem Batterieladegerät aufzunehmen; und eine Batterie-Management-Einheit
(BMU), die an den Ladeschaltkreis angeschlossen ist, wobei die BMU einen
Microcontroller umfasst. Die BMU kann konfiguriert sein, um den
Betrieb des Lade-FET-Schaltelementes der Ladeschaltung so zu steuern,
dass ein Arbeitszyklus des Ladestroms, der von dem Batterieladegerät empfangen
wird, angepasst wird, um einen Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert
aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen bereitzustellen,
wobei der zweite Stromwert kleiner ist als der erste Stromwert.
Die BMU kann weiterhin konfiguriert sein, um zuerst den Vorladestrom,
der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen
des Batteriesystems bereitzustellen, wenn eine Spannung der einen
oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems unterhalb einem
niedrigen Spannungsschwellwert liegt, und dann den Ladestrom, der
den ersten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen
des Batteriesystems bereitzustellen, wenn eine Spannung der einen oder
mehreren Batteriezellen des Batteriesystems den niedrigen Spannungsschwellwert
erreicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines konventionellen tragbaren elektronischen
Gerätes
und eines Batterieladegerätes.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines konventionellen Lithium-Ionen-Batteriesystems.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Steuersignalspannung über der
Zeit gemäß einer Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren.
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Beschreibung
von veranschaulichenden Ausführungsformen
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3 zeigt
ein Batteriesystem 320 gemäß einer Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren. Batteriesystem 320 kann
als unabhängige Quelle
von Wechselstrom konfiguriert sein, oder kann als eine dauerhafte
oder austauschbare Komponente eines tragbaren elektronischen Geräts (z. B. einem
Batteriepaket eines tragbaren Informationsverarbeitungssystems wie
einem Notebook-Computer)
bereitgestellt sein. Neben Notebook-Computern umfassen andere Beispiele
von solchen tragbaren elektronischen Geräten, sind aber darauf nicht
beschränkt,
tragbare Telefongeräte
(z. B. Mobiltelefone, schnurlose Telefone usw.), persönliche digitale
Assistenten („PDA"), MP3-Player, Kameras,
Computer-Peripheriegeräte usw..
Zusätzlich
zu tragbaren elektronischen Geräten
sollte es klar sein, dass die offenbarten Systeme und Verfahren
so realisiert werden können,
um jeden anderen Typ von elektronischen Geräten mit Strom zu versorgen, der
wenigstens zum Teil mit Batterien betrieben wird, und der eine elektronische
Schaltung aufweist, die zur Aufnahme von Strom von einem Batteriesystem
angeschlossen ist. In dieser Hinsicht können die offenbarten Systeme
und Verfahren vorteilhaft in Anwendungen realisiert werden, wo intelligente
Batterien eingesetzt werden.
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Wie
in 3 gezeigt, umfasst Batteriesystem 320 eine
oder mehrere Batteriezelle/n 324, die an die Batterieanschlüsse 312 und 314 angeschlossen
sind, die zum Anschluss an ein Batterieladegerät (nicht gezeigt) konfiguriert
sein können,
wie etwa dem Batterieladegerät 110 von 1.
Es sollte klar sein, dass, wenn das Batteriesystem 320 als
eine integrierte Komponente eines elektronischen Gerätes bereitgestellt
wird, ein entsprechendes Batterieladegerät auch als ein integrierter
Teil desselben elektronischen Gerätes bereitgestellt werden kann
oder als ein Gerät
außerhalb
des elektronischen Geräts
bereitgestellt werden kann. Batteriezelle/n 324 kann jeder
Typ von wiederaufladbarer Batteriezelle/n oder einer Kombination
davon sein, die zum Wiederaufladen unter Verwendung von zwei oder
mehr Raten von Ladestromwerten geeignet sind. Beispiele von solchen
Batteriezellen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Li-Ionen-Batteriezellen,
NiMH-Batteriezellen,
Nickel-Cadmium- (NiCd) Batteriezellen, Lithium-Polymer- (Li-Polymer) Batteriezellen
usw..
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Das
Batteriesystem 320 wird auch als mit einer Batteriestrom-Steuerschaltung 370 ausgestattet gezeigt,
die vorhanden ist, um den Fluss des Ladestroms in die Batteriezelle/n 324 von
Batteriesystem 320 zu steuern, und die wahlweise konfiguriert
sein kann, um auch den Fluss des Entladestroms von Batteriezelle/n 324 von
Batteriesystem 320 zu steuern. Die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 ist
mit dem Arbeitszyklus-Controller 311 verbunden, der den
Betrieb der Batteriestrom-Steuerschaltung 370 steuert (z.
B. durch ein Steuersignal oder ein anderes geeignetes Verfahren),
um den Fluss des Batterieladestroms (ICHARGE)
in die Batteriezelle/n 324 von einem Batterieladegerät über Anschlüsse 312 und 314 zu steuern,
um so den Arbeitszyklus des Ladestroms anzupassen, der an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt
wird. Ebenso vorhanden ist ein Batteriezellspannungsdetektor 310,
der zum Uberwachen der Spannung der Batteriezelle/n 324 und
zum Liefern dieser Information an den Arbeitszyklus-Controller 311 angeschlossen
ist. Es sollte klar sein, dass der Arbeitszyklus-Controller 311 und
der Batteriezellspannungsdetektor 310 jeweils so realisiert
werden können,
dass sie jede Schaltung und/oder jede Steuerlogik-Konfiguration
verwenden, die für
die Durchführung
dieser Aufgaben geeignet ist. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform
ein oder mehrere Merkmale der Schaltung 311 und 310 realisiert
werden unter Verwendung eines Controllers (z. B. eines Prozessors
und zugeordneter Firmware), die mit dem Batteriesystem 320 integriert
ist, oder unter Verwendung von jeder anderen geeigneten Konfiguration von
Microcontroller/Microprozessor, Firmaware und/oder Software, die
mit Schaltkreisen/Komponenten des Batteriesystems eine Schnittstelle
bildet. Weiterhin sollte es klar sein, dass die Aufgaben des Arbeitszyklus-Controllers 311 und
des Batteriezellspannungsdetektors 310, obwohl als separate
Komponenten dargestellt, alternativ durch eine einzige Komponente
durchgeführt
werden können
oder durch eine Kombination von mehr als zwei separaten Komponenten
durchgeführt
werden können.
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Beim
Betrieb des Systems von 3 überwacht der Batteriezellspannungsdetektor 310 die Spannung
der Batteriezelle/n 324 und liefert diese Information an
den Arbeitszyklus-Controller 311 (z. B. durch ein Steuersignal
oder ein anderes geeignetes Verfahren). Daraufhin verwendet der
Arbeitszyklus-Controller 311 diese überwachte Spannungsinformation,
um den Ladestrom zu steuern, der an die Batteriezelle/n 324 durch
die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 geliefert wird. Insbesondere
ist der Arbeitszyklus-Controller 311 zum Vorladen von Batteriezelle/n 324 konfiguriert,
indem der Arbeitszyklus des Ladestroms gesteuert wird, wenn die
Spannung der Batteriezelle/n 324 unter einem niedrigen
Spannungsschwellwert liegt und die Batteriezelle/n 324 nicht
bereit sind, den vollen Ladestrom aufzunehmen. Durch Steuerung des
Arbeitszyklus des Ladestroms ist es dem Arbeitszyklus-Controller 311 möglich, das
Niveau des Vorladestroms auf einen oder mehrere niedrigere Stromwerte
zu begrenzen, die niedriger sind als der volle La destrom, der an
den Anschlüssen 312 und 314 durch
ein Batterieladegerät bereitgestellt
wird. Wenn die Spannung der Batteriezelle/n 324 den niedrigen
Spannungsschwellwert erreicht, erhöht der Arbeitszyklus-Controller 311 den Arbeitszyklus
des Ladestroms auf einen höheren
Arbeitszyklus, so dass mehr Ladestrom an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt
wird, um z. B. zu ermöglichen,
dass der volle Ladestrom des Batterieladegeräts an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt
wird.
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Es
sollte klar sein, dass der Arbeitszyklus-Controller 311 konfiguriert
sein kann, um die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 auf
eine solche Weise zu steuern, um ein reduziertes Niveau des Vorladestroms
vom Ladegerät
an die Batteriezelle/n 324 bereitzustellen, wenn die Batteriezellspannung
unterhalb eines Spannungsschwellwerts liegt, und um einen vollen
Ladestrom bereitzustellen, wenn die Batteriezellspannung den Spannungsschwellwert
erreicht oder überschreitet.
In dieser Hinsicht kann der Arbeitszyklus-Controller 311 konfiguriert
sein, um die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 auf eine
solche Weise zu steuern, um ein verringertes Niveau des Vorladestroms
von dem Ladegerät
an die Batteriezelle/n 324 zu liefern, der auf dem Spannungsschwellwert
der Batteriezelle/n 324 beruht (z. B. um ein Niveau eines
Vorladestroms für
ein Batteriepaket mit 3 parallelen Zellen zu liefern, um ein höheres Niveau des
Vorladestroms für
ein Batteriepaket mit 4 parallelen Zellen zu liefern, usw.).
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4 zeigt
das Batteriesystem 320 von 3, sowie
es gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren realisiert werden kann. Wie
in dieser beispielhaften Ausführungsform
gezeigt, können
Funktionen des Arbeitszyklus-Controllers und des Batteriezell-Spannungsdetektors 310 durch
eine Batterie-Management-Einheit (BMU) 402 realisiert werden,
die für
das Überwachen
der Batteriesystemabläufe
und für
das Steuern der Batteriestrom-Steuerschaltung 370 verantwortlich
ist, obwohl jede andere geeignete Konfiguration von Schaltkreisen,
Prozessor/en und/oder Steuerlogik in anderen Ausführungsformen
eingesetzt werden kann. Wie in 4 gezeigt,
umfasst die BMU 402 ein analoges Front End („AFE") 406 und den
Microcontroller 404. Die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 umfasst
die Ladeschaltung 460 und die Entladeschaltung 462,
die zwischen den Batterieladeauschluss 312 und die Batteriezelle/n 324 in Serie
angeschlossen sind. FET 414 ist ein Lade-FET-Schaltelement,
das einen Teil der Ladeschaltung 460 bildet, die durch
Microcontroller 404 und/oder AFE 406 der BMU durch
Verwendung des Ladeschaltkreisschalters 418 gesteuert wird,
um einen Ladestrom an die Batteriezelle/n 324 zuzulassen oder
nicht zuzulassen. FET 416 ist ein Entlade-FET-Schaltelement,
das einen Teil der Entladeschaltung 462 bildet, die durch
den Microcontroller 404 und/oder AFE 406 der BMU
unter Verwendung des Entladeschalters 420 gesteuert wird,
der einen Entladestrom von Batteriezelle/n 324 zulässt oder nicht
zulässt.
Wie gezeigt, umfasst das Batteriesystem 320 auch die Datenbusanschlüsse 426, 428 des Batteriesystems
zum Bereitstellen von Batteriestatusinformation, wie etwa Batteriespannung,
an entsprechende Datenbusanschlüsse
eines Batterieladegerätes.
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Während des
normalen Betriebs des Batteriepakets werden beide Lade- und Entlade-FET-Schaltelemente 414 und 416 durch
jeweilige Schalter 418 und 420 in den geschlossenen
Zustand versetzt, und der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 überwacht
die Spannung der Batteriezelle/n 324. Wenn der Zellspannungsdetektor 310 von
AFE 406 eine Batterieüberspannungsbedingung
entdeckt, öffnet
die BMU 402 das Lade-FET-Schaltelement 414, um
weiteres Laden der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Überspannungsbedingung
nicht weiter vorhanden ist. Wenn der Zellspannungsdetektor 310 von
AFE 406 einen Batterieunterspannungs-(oder Über-Entladungs-)Zustand
entdeckt, öffnet
die BMU 402 das Entlade-FET-Schaltelement 416,
um weiteres Entladen der Batteriezelle/n zu verhindern, bis der
Unterspannungszustand nicht mehr vorhanden ist. Die BMU 402 kann
auch das Lade-FET-Schaltelement 414 öffnen, wenn das Batteriepaket
im Schlafmodus ist. Ein Strommesswiderstand 412 ist in
der Batteriepaketschaltung vorhanden, um dem Stromsensor 308 von
AFE 406 die Überwachung
des Ladestroms an die Batteriezelle/n zu ermöglichen. Wenn das Lade-FET-Schaltelement 414 offen
sein soll (z. B. während
des Schlafmodus oder des Batterieüberspan nungszustands), aber
ein Ladestrom festgestellt wird, deaktiviert die BMU 402 das
Batteriepaket dauerhaft durch Auslösen einer optionalen, in Reihe
geschalteten Sicherung 422, die in der Batterieschaltung
vorhanden ist, um die Batteriepaketschaltung abzutrennen und weiteres Überladen
zu verhindern.
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Wenn
die Terminals 312, 314 des Batteriesystems 320 angeschlossen
sind, um Strom von entsprechenden Anschlüssen eines Batterieladegeräts aufzunehmen,
ist die BMU 402 zum Eintritt in eine Vorlade-Betriebsart
konfiguriert, wenn der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 feststellt,
dass die Spannung der Batteriezelle/n 324 unterhalb eines niedrigen
Spannungsschwellwerts liegt und ein niedrigeres Vorlade-Stromniveau
benötigt
wird. In der Vorlade-Betriebsart steuert der Arbeitszyklus-Controller 311 der
BMU 402 den Schalter 418 (z. B. unter Verwendung
eines Pulsweiten-modulierten Signals), um so wechselweise das FET-Schaltelement 414 zu öffnen und
zu schließen
und einen intermittierenden Vorladestrom an die Batteriezelle/n 324 bereitzustellen,
der unter dem vollen Ladestromwert liegt. Wenn die Spannung der
Batteriezelle/n 324 den niedrigen Spannungsschwellwert überschreitet,
schließt
die BMU 402 das Lade-FET-Schaltelement 414, um zu ermöglichen,
dass der volle Ladestrom konstant an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt
wird, bis sie vollständig
geladen sind.
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5 zeigt
eine Stromsteuersignalspannung für
den Schalter 418 als Funktion der Zeit sowohl für die Vorlade-
als auch die Volllade-Betriebsart gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der offenbarten Systeme und Verfahren. In der dargestellten Ausführungsform
wird Strom der/den Batteriezelle/n bereitgestellt, wenn die Spannung
des Stromsteuersignals hoch ist oder einen Wert von 1 hat, und kein
Strom wird der/den Batteriezelle/n bereitgestellt, wenn die Spannung
des Stromsteuersignals niedrig ist oder einen Wert von 0 hat.
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Noch
mit Bezug auf 5 wird Ladestrom wechselweise
der/den Batteriezelle/n 324 während der Vorlade-Betriebsart 502 bereitgestellt.
Wie für diese
dargestellte Ausführungsform
gezeigt, hat jeder Strompuls im Wesentlichen dasselbe Strom niveau
wie die anderen Strompulse. In der Vorlade-Betriebsart 502 wird
der Arbeitszyklus des Vorladestroms durch T1 :
(T1 + T2) dargestellt,
wobei T1 die Zeit darstellt, in der der
Strom angeschaltet ist, und wobei T2 die
Zeit darstellt, in der der Strom ausgeschaltet ist. Wie weiter in 5 dargestellt,
wird der Ladestrom konstant (100% Arbeitszyklus), sobald die Spannung
der Batteriezelle/n 324 den niedrigen Spannungsschwellwert
erreicht. In dieser Hinsicht kann ein Arbeitszyklus von 100% verwendet
werden, um den vollen Wert des Ladestroms von einem Batterieladegerät an die
Batteriezelle/n 324 bereitzustellen (z. B. so oft eine
Situation vorschreibt, dass der volle Ladestrom benötigt oder
gewünscht
wird). Es sollte auch klar sein, dass ein Arbeitszyklus von 0% in
einer Ausführungsform
verwendet werden kann, um den Fluss des Ladestroms zu stoppen oder
zu beenden.
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Mit
Bezug auf die Ausführungsformen
von 3 und 4 sollte es klar sein, dass
der vorbestimmte niedrige Spannungsschwellwert, der zum Initiieren
der Vorlade-Betriebsart verwendet wird, variieren kann, um den Anforderungen
einer gegebenen Batteriesystem-Anwendung zu genügen (z. B. Typ der Batterie,
Anzahl von Zellen, Typ des Batterieladegerätes usw.). Ähnlich können auch das Vorlade-Stromniveau
und die Arbeitszykluswerte festgelegt werden, um den Anforderungen
einer gegebenen Batteriesystem-Anwendung zu genügen.
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Zum
Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform für ein Li-Ionen-Batteriesystem (z. B.
7.5 Volt 3S[3 in Serie geschaltete Zellen] Batteriepaket mit drei
2.5 Volt Zellen oder 9 Volt 3S Batteriepaket mit drei 3 Volt Zellen)
ein vorbestimmter niedriger Spannungsschwellwert von ungefähr 2.5 bis
ungefähr
3 Volt als ein Schwellwert zwischen den Vorladestrom- und Vollladestrom-Betriebsarten
verwendet werden. Ähnlich
kann die Methodologie mit niedrigem Spannungsschwellwert auf andere
Batteriekonfigurationen angewendet werden, z. B. bei 4S Batteriepakete
mit 4 Zellen usw.. Der Wert des vollen Ladestroms, der den Batteriezelle/n
des Batteriesystems bereitgestellt wird, kann festgestellt werden,
indem die Anzahl der Batteriezellen mit dem Verhältnis 0.5 c multipliziert wird,
wobei c die nominale Kapazität
pro Zelle ist. Der Wert von c kann basierend auf dem Bat terietyp
variieren, aber für
Li-Ionen-Batteriezellen dieser Ausführungsform kann er einen Wert von
ungefähr
2200 bis ungefähr
2400 mA/Stunde/Zelle aufweisen. Für ein Li-Ionen-Batteriesystem mit
3 Zellen und einer nominalen Kapazität (c) von ungefähr 2.200
mA/Stunde/Zelle kann deshalb der volle Ladestrom als ungefähr 3.3 A
festgelegt werden. Für
dieselbe Ausführungsform
eines Li-Ionen-Batteriesystems
kann der Vorladestrom festgelegt werden, indem die Anzahl von Batteriezellen
mit einem Wert von ungefähr
20 bis ungefähr
50 mA/Zelle multipliziert wird. Unter Verwendung eines Werts von
50 mA/Zelle für
ein Li-Ionen-Batteriesystem
mit 2 parallel geschalteten Zellen kann deshalb der Vorladestrom
als ungefähr
100 mA festgelegt werden.
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Der
geeignete Arbeitszyklus, der erforderlich ist, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau zu ergeben,
kann basierend auf dem gewünschten
Niveau des Vorladestroms (z. B. so, wie es oben festgelegt wurde)
und dem verfügbaren
Strom festgelegt werden, der durch das Batterieladegerät bereitgestellt wird.
Zum Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein Batterieladegerät, das zum
Laden von Li-Ionen-Batteriesystemen konfiguriert ist, eine Laderate
von ungefähr
150 A aufweisen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
kann ein Batterieladegerät
eine niedrigere (Vorlade-) Stromrate von ungefähr 128 mA aufweisen, die bereitgestellt wird,
wenn sie gebraucht wird, z. B. nachdem ein Signal von dem Microcontroller 404 über die
Datenbusanschlüsse 426, 428 des
Batteriesystems empfangen wurde. In jedem Fall kann der Vorlade-Arbeitszyklus
angepasst werden, um den gewünschten
Vorladestrom an die Batteriezelle/n 324 zu liefern, der
auf dem von dem Batterieladegerät
an die Anschlüsse 312, 314 bereitgestellten
Strom basiert. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von ungefähr 66 %
durch den Arbeitszyklus-Controller 311 des Microcontrollers 404 realisiert
werden, wenn ein gewünschter
Vorladestrom von ungefähr
100 mA und ein Strom von ungefähr
150 mA gegeben sind, die von einem Batterieladegerät bereitgestellt
werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein einziger
Wert eines Arbeitszyklus zwischen 0% und 100% eingesetzt werden,
um das gewünschte
Vorlade-Stromniveau für
ein Batteriepaket zu ergeben (z. B. mit 3 bis 4 Zellen).
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Der
geeignete Arbeitszyklus, der erforderlich ist, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau zu ergeben,
kann auch basierend auf der Anzahl von Batteriezellen in einem gegebenen
Batteriepaket variieren. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus für ein Li-Ionen-Batteriepaket
mit 2 Gruppen von parallelen Batteriezellen und 3 Gruppen von seriellen
Batteriezellen ausgewählt
werden, der ungefähr
31 % beträgt, um
einen gesamten Vorladestrom von ungefähr 40 mA an die Batteriezellen
zu liefern, vorausgesetzt dass der Ladestrom, der von einem Batterieladegerät geliefert
wird, ungefähr
128 mA beträgt.
Für ein
Li-Ionen-Batteriepaket mit 3 Gruppen von parallelen Batteriezellen
und 3 Gruppen von seriellen Batteriezellen kann ein Arbeitszyklus
ausgewählt
werden, der ungefähr
47% beträgt,
um einen gesamten Vorladestrom von 60 mA an die Batteriezellen zu
liefern.
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In
der Anwendung der offenbarten Systeme und Verfahren kann der Vorlade-Arbeitszyklus des Arbeitszyklus-Controllers 311 jede
Frequenz aufweisen, die zum Bereitstellen eines gewünschten
Vorlade-Stromniveaus an die Batteriezelle/n 324 geeignet ist.
Allerdings kann in einer beispielhaften Ausführungsform die Arbeitszyklus-Frequenz
höher gewählt werden
(z. B. größer als
oder gleich ungefähr
2 mal höher,
alternativ zu von ungefähr
2 mal bis ungefähr 5
mal höher)
als die Abtastrate des Stromsensors 308 von AFE 406,
um die Genauigkeit des von dem Stromsensor abgetasteten Stroms zu
verbessern. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von wenigstens ungefähr 8 Hz
(125 ms), alternativ von ungefähr
8 Hz (125 ms) bis ungefähr
20 Hz (50 ms), eingesetzt werden, um eine genaue Messung des Stroms
durch den Stromsensor 308 herzustellen, wenn eine Strommess-Abtastrate von ungefähr 250 ms
oder 4 Hz gegeben ist.
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung kann ein Informationsverarbeitungssystem die
Mittel oder Anordnungen von Mitteln beinhalten, die geeignet sind, jede
Form von Information, Nachrichten oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche,
Steuerungs- oder andere Zwecke zu berechnen, klassifizieren, verarbeiten, übermitteln,
empfangen, abzufragen, erzeugen, schalten, speichern, darstellen,
bekannt machen, ermitteln, aufnehmen, reproduzieren, verarbeiten
oder zu nutzen. Zum Beispiel kann ein Informationsverarbeitungssystem
ein Personal Computer, ein Netzwerkspeichergerät oder jedes andere geeignete Gerät sein und
in Größe, Form,
Leistung, Funktionalität
und Preis variieren. Das Informationsverarbeitungssystem kann Random
Access Memory (RAM) aufweisen, eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen
wie etwa eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) oder Hardware- oder
Software-Steuerlogik, ROM und/oder andere Typen von nicht-flüchtigem
Speicher. Zusätzliche
Komponenten des Informationsverarbeitungssystems können umfassen:
ein oder mehrere Plattenlaufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse (Ports)
zur Kommunikation mit externen Geräten sowie verschiedene Eingabe-
und Ausgabe- (I/O-) Geräte
wie etwa eine Tastatur, eine Maus und einen Bildschirm. Das Informationsverarbeitungssystem
kann auch einen oder mehrere Busse aufweisen, die geeignet sind,
um Nachrichten zwischen den verschiedenen Hardware-Komponenten zu übermitteln.
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Während die
Erfindung an verschiedene Modifikationen und alternative Formen
anpassbar sein kann, sind bestimmte Ausführungsformen mit einem Beispiel
gezeigt und hierin beschrieben worden. Allerdings sollte es klar
sein, dass es nicht beabsichtigt ist, dass die Erfindung auf die
bestimmten offenbarten Formen beschränkt ist. Vielmehr soll die
Erfindung alle Modifikationen, Aquivalente und Alternativen abdecken,
die innerhalb des Geists und des Bereichs der Erfindung liegen,
wie er durch die angehängten
Ansprüche
definiert ist. Darüber
hinaus können
die verschiedenen Aspekte der offenbarten Systeme und Verfahren
in verschiedenen Kombinationen und/oder unabhängig verwendet wird. Deshalb
ist die Erfindung nicht auf die hierin gezeigten Kombinationen beschränkt, sondern
kann andere Kombinationen umfassen.